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Hintergrund
der Erfindung
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In
den meisten modernen Kraftstoffanlagen von Kraftfahrzeugen werden
Kraftstoffeinspritzventile verwendet, um eine präzise Dosierung von Kraftstoff zur
Einleitung in die einzelnen Brennräume sicherzustellen. Außerdem zerstäubt das
Kraftstoffeinspritzventil den Kraftstoff bei der Einspritzung, wobei
es den Kraftstoff in eine große
Anzahl von sehr kleinen Teilchen zerteilt, die Oberfläche des
eingespritzten Kraftstoffs vergrößert und
dem Oxidationsmittel, gewöhnlich
Umgebungsluft, ermöglicht,
sich vor der Verbrennung gründlicher
mit dem Kraftstoff zu vermischen. Die präzise Dosierung und Zerstäubung des Kraftstoffs
verringert die Verbrennungsemissionen und senkt den Kraftstoffverbrauch
des Motors. In der Regel gilt daher: Je größer die Präzision bei der Dosierung des
Kraftstoffes und der Ausrichtung des Kraftstoffstrahls ist und je
feiner die Zerstäubung
des Kraftstoffes ist, desto niedriger sind die Emissionen, bei gleichzeitiger
Senkung des Kraftstoffverbrauches.
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Bei
einem elektromagnetischen Kraftstoffeinspritzventil wird normalerweise
eine Magnetspulenbaugruppe verwendet, um eine Betätigungskraft
für eine
Kraftstoffdosiereinrichtung zu erzeugen. Normalerweise ist die Kraftstoffdosiereinrichtung
ein Nadelventil vom Typ eines Kolbenventils, welches eine hin- und
hergehende Bewegung zwischen einer geschlossenen Position, in der
die Nadel an einem Ventilsitz anliegt, um zu verhindern, dass Kraftstoff
durch eine Dosieröffnung
in den Brennraum entweicht, und einer geöffneten Position, in der die
Nadel vom Ventilsitz abgehoben ist und damit ermöglicht, Kraftstoff durch die
Dosieröffnung
hindurch zur Einleitung in den Brennraum austreten zu lassen, ausführt.
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Das
Kraftstoffeinspritzventil ist normalerweise stromaufwärts des
Einlassventils im Ansaugkrümmer
oder in der Nähe
eines Zylinderkopfes angebracht. Wenn sich das Einlassventil an
einem Einlasskanal des Zylinders öffnet, wird Kraftstoff in Richtung
des Einlasskanals eingespritzt. In einer Situation kann es wünschenswert
sein, den Kraftstoffstrahl auf den Teller oder Schaft des Einlassventils
auszurichten, während
es in einer anderen Situation wünschenswert
sein kann, den Kraftstoffstrahl auf den Einlasskanal anstatt auf
das Einlassventil zu richten. In beiden Situationen kann das Ausrichten
des Kraftstoffstrahls durch das Spritzbild oder die Gestalt des Spritzkegels
beeinflusst werden. In Fällen,
in denen der Spritzkegel eine breite, auseinander gehende Kegelform
aufweist, kann der eingespritzte Kraftstoff auf eine Fläche des
Einlasskanals auftreffen, anstatt in Richtung des beabsichtigten
Ziels gespritzt zu werden. Umgekehrt wird, wenn der Spritzkegel
einen kleinen Öffnungswinkel
aufweist, der Kraftstoff möglicherweise
nicht zerstäubt
und kann sich sogar wieder zu einem Flüssigkeitsstrom vereinigen.
In beiden Fällen
kann daraus eine unvollständige
Verbrennung resultieren, die zu einer Erhöhung der unerwünschten Abgasemissionen
führt.
Das europäische
Patent 1154151 beschreibt ein Kraftstoffeinspritzventil mit einer
Dosierscheibe.
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Eine
Komplizierung der Anforderungen an die Ausrichtung des Strahls und
das Spritzbild ergibt sich aus der Gestaltung des Zylinderkopfes,
der Einlassgeometrie und dem Einlasskanal, die für die Konstruktion jedes Motors
spezifisch sind. Infolgedessen kann ein Kraftstoffeinspritzventil,
das für
eine bestimmte Kegelform und Ausrichtung des Kraftstoffstrahls konstruiert
wurde, bei einem Typ von Motorkonfiguration äußerst gut funktionieren, dagegen beim
Einbau in einen anderen Typ von Motorkonfiguration Emissionen und
Probleme hinsichtlich des Fahrverhaltens verursachen. Außerdem sind,
da immer mehr Fahrzeuge unter Verwendung unterschiedlicher Konfigurationen
von Motoren hergestellt werden (zum Beispiel: 4-Zylinder-Reihenmotor,
6-Zylinder-Reihenmotor, V-6, V-8, V-12, W-8 usw.), die Emissionsstandards
strenger geworden, was zu präziseren
Anforderungen an die Dosierung, die Ausrichtung des Kraftstoffstrahls
und das Spritzbild oder die Kegelform des Kraftstoffeinspritzventils
für die einzelnen
Motorkonfigurationen führt.
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Es
wäre nützlich,
ein Kraftstoffeinspritzventil zu entwickeln, bei welchem eine verstärkte Zerstäubung und
eine präzise
Ausrichtung so verändert
werden können,
dass bei einer Umstellung von einem Typ einer Motorkonfiguration
auf einen anderen Typ jeweils eine bestimmte Ausrichtung des Kraftstoffstrahls
und ein bestimmtes Spritzbild sichergestellt werden.
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Es
wäre außerdem nützlich,
ein Kraftstoffeinspritzventil zu entwickeln, bei welchem nicht abgewinkelte
Dosieröffnungen
bei der Steuerung der Zerstäubung,
der Ausrichtung des Kraftstoffstrahls und der Verteilung des Kraftstoffstrahls
verwendet werden können.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Durch
die vorliegende Erfindung wird ein Kraftstoffeinspritzventil bereitgestellt,
welches umfasst: ein Gehäuse,
das einen Einlass, einen Auslass und eine durch es hindurch verlaufende
Längsachse aufweist;
einen in der Nähe
des Auslasses angeordneten Sitz, wobei der Sitz eine Dichtfläche aufweist, die
eine Sitzöffnung
umgibt, wobei die Sitzöffnung entlang
der Längsachse
zwischen der Dichtfläche und
einer ersten Kanalfläche
angeordnet ist, die sich im Allgemeinen schräg in Richtung der Längsachse erstreckt;
ein innerhalb des Gehäuses
angeordnetes Verschlusselement, das eine hin- und hergehende Bewegung
entlang der Längsachse
zwischen einer ersten Position, in der es von der Dichtfläche gelöst ist,
um einen Kraftstofffluss durch die Sitzöffnung hindurch zu ermöglichen,
und einer zweiten Position, in der es an der Sitzfläche anliegt,
um den Durchfluss von Kraftstoff zu verhindern, ausführen kann;
eine Dosierscheibe, die eine Vielzahl von Dosieröffnungen aufweist, die sich
durch die Dosierscheibe hindurch in Richtung der Längsachse
erstrecken, wobei die Dosieröffnungen
um die Längsachse
herum auf einem ersten virtuellen Kreis angeordnet sind, der größer als
ein zweiter virtueller Kreis ist, der durch eine Projektion der
Dichtfläche
definiert ist, die in einem auf der Dosierscheibe angeordneten virtuellen Scheitelpunkt
zusammenläuft,
wobei die Dosierscheibe eine zweite Kanalfläche aufweist, die der ersten
Kanalfläche
gegenüberliegt,
wobei die zweite Kanalfläche
wenigstens eine erste Fläche
aufweist, die im Allgemeinen schräg zur Längsachse ist, und wenigstens
eine zweite Fläche,
die bezüglich
der Längsachse
gekrümmt
ist; und dadurch gekennzeichnet ist, dass es einen Kanal gesteuerter
Geschwindigkeit aufweist, der zwischen der ersten und der zweiten
Kanalfläche
ausgebildet ist, wobei der Kanal gesteuerter Geschwindigkeit einen
ersten Abschnitt aufweist, dessen Querschnittsfläche sich in dem Maße ändert, wie
sich der Kanal entlang der Längsachse
nach außen
erstreckt, bis zu einer Stelle, welche die Vielzahl von Dosieröffnungen
umgibt und schräg
bezüglich
der Längsachse
des Einspritzventils angeordnet ist, derart, dass der Kraftstofffluss, der
durch die einzelnen Öffnungen
aus der Vielzahl von Dosieröffnungen
austritt, einen Durchflussweg bildet, der schräg zur Längsachse ist.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Die
beigefügten
Zeichnungen, welche mit in diese Anmeldung einbezogen sind und einen
Bestandteil dieser Patentbeschreibung darstellen, zeigen eine Ausführungsform
der Erfindung und dienen zusammen mit der weiter oben gegebenen
allgemeinen Beschreibung und der weiter unten gegebenen ausführlichen
Beschreibung dazu, die Merkmale der Erfindung zu erläutern.
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1 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
des Kraftstoffeinspritzventils.
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2A zeigt
eine vergrößerte Schnittdarstellung
eines Auslassendes des Kraftstoffeinspritzventils von 1.
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2B zeigt
eine vergrößerte Schnittdarstellung
eines Auslassendes des Kraftstoffeinspritzventils von 1 gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform.
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Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Die 1–2 zeigen
die bevorzugten Ausführungsformen.
Insbesondere ist in 1 ein Kraftstoffeinspritzventil 100 dargestellt,
das eine bevorzugte Ausführungsform
der Dosierscheibe 10 aufweist. Das Kraftstoffeinspritzventil 100 enthält: ein Kraftstoffeinlassrohr 110,
ein Einstellrohr 112, eine Filterbaugruppe 114,
eine Spulenbaugruppe 120, eine Schraubenfeder 116,
einen Anker 124, ein Verschlusselement 126, eine
nichtmagnetische Ummantelung 110a, eine erste Gusskapsel 118,
einen Ventilkörper 132,
eine Ventilkörperummantelung 132a, eine
zweite Gusskapsel 119, ein Spulenbaugruppengehäuse 121,
ein Führungselement 127 für das Verschlusselement 126,
einen Sitz 134 und eine Dosierscheibe 10.
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Das
Führungselement 127,
der Sitz 134 und die Dosierscheibe 10 bilden einen
Stapel, welcher am Auslassende des Kraftstoffeinspritzventils 100 mittels
eines geeigneten Verbindungsverfahrens verbunden ist, wie zum Beispiel
durch Quetschverbindung, Schweißen,
Kleben oder Nieten. Der Anker 124 und das Verschlusselement 126 sind
so miteinander verbunden, dass sie eine Anker-Nadel-Ventilbaugruppe
bilden. Es ist anzumerken, dass ein Fachmann die Baugruppe aus einer
einzigen Komponente herstellen könnte.
Die Spulenbaugruppe 120 enthält einen Spulenkörper aus
Kunststoff, auf den eine elektromagnetische Wicklung 122 gewickelt
ist.
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Jeweilige
Enden der Wicklung 122 sind mit jeweiligen Anschlussklemmen 122a, 122b verbunden,
welche entsprechend geformt sind und im Zusammenwirken mit einer
Umrandung 118a, die als untrennbarer Teil der Gusskapsel 118 ausgebildet
ist, einen elektrischen Verbinder zum Anschließen des Kraftstoffeinspritzventils
an einen elektronischen Steuerkreis (nicht dargestellt) bilden,
welcher das Kraftstoffeinspritzventil steuert.
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Das
Kraftstoffeinlassrohr 110 kann ferromagnetisch sein und
weist am freiliegenden oberen Ende eine Kraftstoffeinlassöffnung auf.
Die Filterbaugruppe 114 kann in der Nähe des offenen oberen Endes des
Einstellrohrs 112 angebracht sein, um eventuell vorhandenes
Partikelmaterial, dessen Größe einen bestimmten
Wert überschreitet,
aus dem durch die Einlassöffnung
einströmenden
Kraftstoff herauszufiltern, bevor der Kraftstoff in das Einstellrohr 112 einströmt.
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In
dem kalibrierten Kraftstoffeinspritzventil ist das Einstellrohr 112 in
eine bestimmte axiale Position innerhalb des Kraftstoffeinlassrohrs 110 gebracht worden
und drückt
eine Vorspannfeder 116 so zusammen, dass diese eine gewünschte Vorspannkraft ausübt, welche
auf die Baugruppe Anker/Nadelventil einwirkt, derart, dass das mit
einer abgerundeten Spitze versehene Ende des Verschlusselements 126 auf
den Sitz 134 aufgesetzt werden kann, so dass es die durch
den Sitz führende
mittlere Bohrung verschließt.
Vorzugsweise sind die Rohre 110 und 112 durch
Quetschverbindung miteinander verbunden, damit sie ihre relative
axiale Position beibehalten, nachdem die Kalibrierung der Einstellung
vorgenommen worden ist.
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Nach
dem Durchströmen
des Einstellrohres 112 strömt der Kraftstoff in ein Volumen
ein, welches durch die einander gegenüberliegenden Enden des Einlassrohres 110 und
des Ankers 124 gemeinsam definiert wird und welches die
Vorspannfeder 116 enthält.
Der Anker 124 weist einen Durchflusskanal 128 auf,
welcher das Volumen 125 mit einem Durchflusskanal 113 in
dem Ventilkörper 130 verbindet,
und das Führungselement 127 enthält Kraftstoffdurchflussöffnungen 127a, 127b.
Dies ermöglicht
dem Kraftstoff, aus dem Volumen 125 durch die Durchflusskanäle 113, 128 hindurch
zum Sitz 134 zu fließen.
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Die
nicht ferromagnetische Ummantelung 110a kann teleskopisch
auf dem unteren Ende des Einlassrohres 110 angebracht und
mit ihm verbunden sein, etwa mittels einer luftdichten Laserschweißnaht. Die
Ummantelung 110a weist einen rohrförmigen Hals auf, welcher teleskopisch
auf einen rohrförmigen
Hals am unteren Ende des Kraftstoffeinlassrohres 110 aufgeschoben
ist. Die Ummantelung 110a weist außerdem einen Absatz auf, welcher
sich vom Hals aus radial nach außen erstreckt. Die Ventilkörperummantelung 132a kann
ferromagnetisch sein und kann auf eine fluiddichte Weise mit der
nicht ferromagnetischen Ummantelung 110a verbunden sein,
vorzugsweise ebenfalls mittels einer luftdichten Laserschweißnaht.
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Das
obere Ende des Ventilkörpers 130 passt eng
anliegend in das untere Ende der Ventilkörperummantelung 132a,
und diese zwei Teile sind auf eine fluiddichte Weise miteinander
verbunden, vorzugsweise mittels Laserschweißung. Der Anker 124 kann
durch die Innenwand des Ventilkörpers 130 geführt werden,
so dass eine axiale hin- und hergehende Bewegung ausgeführt werden
kann. Die weitere axiale Führung
der Baugruppe Anker/Nadelventil kann durch eine zentrale Führungsbohrung
im Element 127 gewährleistet
werden, durch welche das Verschlusselement 126 hindurchfährt.
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Es
wird auf die vergrößerte Darstellung
der Sitz-Unterbaugruppe
des Kraftstoffeinspritzventils in 2A Bezug
genommen, welche ein Verschlusselement 126, einen Sitz 134 und
eine Dosierscheibe 10 aufweist. Das Verschlusselement 126 weist
ein mit einer kugelförmigen
Oberfläche
geformtes Element 126a auf, das an einem vom Anker entfernten Ende
angeordnet ist. Das kugelförmige
Element 126a kommt mit dem Sitz 134 auf der Sitzfläche 134a zum
Eingriff, derart, dass im Allgemeinen eine Linienkontakt-Dichtung
zwischen den zwei Elementen gebildet wird. Die Sitzfläche 134a verjüngt sich
radial nach unten und innen zur Sitzöffnung 135 hin, derart, dass
die Fläche 134a schräg zur Längsachse
A-A ist. Die Begriffe "nach
innen" und "nach außen" beziehen sich auf
die Richtungen zur Längsachse
A-A hin bzw. von ihr weg. Die Dichtung kann als ein Dichtkreis 140 definiert
sein, der durch den zusammenhängenden Kontakt
des kugelförmigen
Elements 126a mit der Sitzfläche 134a gebildet
wird, wie hier in 2A dargestellt ist. Der Sitz 134 enthält eine
Sitzöffnung 135,
welche sich im Großen
und Ganzen entlang der Längsachse
A-A des Kraftstoffeinspritzventils 100 erstreckt und von
einer im Allgemeinen zylindrischen Wand 134b gebildet wird.
Vorzugsweise befindet sich ein Mittelpunkt 135a der Sitzöffnung 135 im
Großen und
Ganzen auf der Längsachse
A-A.
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Stromabwärts von
der zylindrischen Wand 134b erweitert sich der Sitz 134 entlang
eines Abschnitts 134c zur Oberfläche 134e der Dosierscheibe hin.
Die Erweiterung des Abschnittes 134c kann vorzugsweise
linear oder krummlinig bezüglich
der Längsachse
A-A sein, wie zum Beispiel eine krummlinige Erweiterung, welche
eine innere Kuppel bildet (2B). Bei
einer bevorzugten Ausführungsform ist
die Erweiterung des Abschnittes 134c eine lineare kegelförmige Erweiterung
(2A) nach unten und nach außen mit einem Kegelwinkel β von der
Sitzöffnung 135 weg
zu einem Punkt, der sich radial außerhalb der Dosieröffnungen 142 befindet.
An dieser Stelle erstreckt sich der Sitz 134 entlang der
Längsachse
und ist vorzugsweise parallel zu ihr, so dass er vorzugsweise eine
zylindrische Wandfläche 134d bildet.
Die Wandfläche 134d erstreckt
sich nach unten und erstreckt sich anschließend in einer im Allgemeinen
radialen Richtung, um eine Bodenfläche 134e zu bilden,
welche vorzugsweise senkrecht zur Längsachse A-A ist. Bei einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
kann sich der Abschnitt 134c durchgehend bis zur Oberfläche 134e des
Sitzes 134 erstrecken. Vorzugsweise beträgt der Kegelwinkel β ungefähr 10 Grad
bezüglich
einer Ebene, die quer zur Längsachse
A-A verläuft.
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Die
Innenseite 144 der Dosierscheibe 10 berührt in der
Nähe des
Außenumfangs
der Dosierscheibe 10 die Bodenfläche 134e entlang einer
im Allgemeinen ringförmigen
Kontaktfläche.
Die Sitzöffnung 135 befindet
sich vorzugsweise vollständig innerhalb
des Umfangs, d.h. eines "Bolzenkreises" 150, der
durch eine imaginäre
Linie definiert ist, welche die Mittelpunkte der einzelnen Dosieröffnungen 142 miteinander
verbindet. Das heißt,
eine virtuelle Verlängerung
der Fläche
des Sitzes 135 erzeugt einen virtuellen Öffnungskreis 151,
der vorzugsweise innerhalb des Bolzenkreises 150 angeordnet
ist.
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Ein
im Großen
und Ganzen ringförmiger
Kanal gesteuerter Geschwindigkeit 146 wird zwischen der
Sitzöffnung 135 des
Sitzes 134 und der Innenseite 144 der Dosierscheibe 10 gebildet,
hier in 2A dargestellt. Speziell wird
der Kanal 146 beginnend am Schnitt der vorzugsweise zylindrischen
Fläche 134b und
der sich vorzugsweise linear kegelförmig erweiternden Fläche 134c gebildet,
und der Kanal endet am Schnitt der vorzugsweise zylindrischen Fläche 134d und
der Bodenfläche 134e.
Anders ausgedrückt,
die Querschnittsfläche
des Kanals ändert sich,
während
sich der Kanal von der Öffnung
des Sitzes zu der Vielzahl von Dosieröffnungen nach außen erstreckt,
derart, dass dem Kraftstofffluss eine Radialgeschwindigkeit zwischen
der Öffnung
und der Vielzahl von Dosieröffnungen
verliehen wird.
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Es
wurde eine physikalische Darstellung einer speziellen Beziehung
entdeckt, welche es ermöglicht,
dass der Kanal gesteuerter Geschwindigkeit 146 dem Fluid,
welches durch den Kanal 146 fließt, eine im Großen und
Ganzen konstante Geschwindigkeit verleiht. Bei einer bevorzugten
physischen Ausführungsform
dieser Beziehung erweitert sich der Kanal 146 nach außen von
einer Höhe
h1 an der Sitzöffnung 135, die vorzugsweise
von dem Schnittpunkt (der Sitzöffnung 135 und
der Kanalfläche 134b)
bis zur Bezugsebene B-B gemessen wird, mit einem entsprechenden
diametralen Abstand D1, bis zu einer Höhe h2, die von dem Schnittpunkt der Kanalfläche 134c und
der Wandfläche 134d bis
zur Bezugsebene B-B gemessen wird, mit einem entsprechenden diametralen
Abstand D2. Ferner erstreckt sich die Innenfläche 134e der
Dosierscheibe 10 von der Bezugsebene B-B entlang der Längsachse,
derart, dass ein Abstand h3 zwischen der
Bezugsebene B-B und dem Rand der Dosieröffnung 142 entlang
der Längsachse
vorhanden ist, und ein entsprechender diametraler Abstand D3.
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Vorzugsweise
ist das Produkt aus der Höhe h1, dem Abstand D1 und π ungefähr gleich
entweder dem Produkt aus der Höhe
h2, dem Abstand D2 und n
oder der Höhe
h3, dem Abstand D3 und π (d.h. D1·h1·π = D2·h2·π = D3·h3·π oder D1·h1 = D2·h2 = D3·h3), die von dem Sitz 134 und der
Dosierscheibe 10 gebildet werden, welche gerade oder krummlinig
sein können.
Nach Ansicht der Autoren hängt
der Abstand h2 mit dem Kegel insofern zusammen,
als ein um so größerer Kegelwinkel β erforderlich
ist, je größer die Höhe h2 ist, und als ein um so kleinerer Kegelwinkel β erforderlich
ist, je kleiner die Höhe
h2 ist. Ein ringförmiger Raum 148, der
vorzugsweise von zylindrischer Form ist, wird zwischen der vorzugsweise
geraden Wandfläche 134d und
der Bezugsebene B-B entlang eines Abstands h2 gebildet.
Das heißt,
wie in 2A oder 2B dargestellt,
von dem Kanal gesteuerter Geschwindigkeit 146 wird stromabwärts von
der Sitzöffnung 135 ein
Kegelstumpf gebildet, wobei dieser Kegelstumpf an einen vorzugsweise rechtwinkligen
Zylinder angrenzt, der von dem ringförmigen Raum 148 gebildet
wird.
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Indem
eine im Großen
und Ganzen konstante Geschwindigkeit des Kraftstoffes, der durch
den Kanal gesteuerter Geschwindigkeit 146 fließt, sichergestellt
wird, wird nach Ansicht der Autoren die Empfindlichkeit der Position
der Dosieröffnungen 142 bezüglich der
Sitzöffnung 135 beim
Ausrichten des Strahls und bei der Strahlverteilung auf ein Minimum begrenzt.
Damit ist gemeint, dass es aufgrund von Fertigungstoleranzen schwierig
sein kann, einen akzeptablen Grad der Konzentrizität der Anordnung von
Dosieröffnungen 142 relativ
zu der Sitzöffnung 135 zu
erreichen. Dagegen wird durch die Merkmale der bevorzugten Ausführungsform
nach Ansicht der Autoren eine Dosierscheibe für ein Kraftstoffeinspritzventil
bereitgestellt, von der anzunehmen ist, dass sie weniger empfindlich
gegenüber
Abweichungen von der Konzentrizität zwischen der Anordnung von
Dosieröffnungen 142 auf
dem Bolzenkreis 150 und der Sitzöffnung 135 ist. Es
ist außerdem
anzumerken, dass für
Fachleute leicht zu erkennen ist, dass je nach der speziellen Beziehung
die Geschwindigkeit an einem beliebigen Punkt entlang der gesamten
Länge des
Kanals 146 abnehmen, zunehmen oder sowohl zunehmen/abnehmen
kann, in Abhängigkeit
von der Gestaltung des Kanals, was das Variieren von D1,
h1, D2, h2, D3 oder h3 des Kanals gesteuerter Geschwindigkeit 146 einschließt, derart, dass
das Produkt von D1 und h1 kleiner
oder größer als
jedes der Produkte von D2 und h2 oder
D3, h3 sein kann.
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Bei
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
wird der Zylinder des ringförmigen
Raumes 148 nicht verwendet, und stattdessen wird nur ein
Kegelstumpf, der einen Bestandteil des Kanals gesteuerter Geschwindigkeit 146 darstellt,
gebildet. Das heißt, die
Kanalfläche 134c erstreckt
sich bis hin zur Fläche 134e,
die an die Dosierscheibe 10 angrenzt, was in den 2A und 2B mit
gestrichelten Linien dargestellt ist. Bei dieser bevorzugten Konfiguration lautet
die physikalische Beziehung D1·h1·π = D3·h3·π.
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Es
wurde herausgefunden, dass, indem dem durch die Sitzöffnung 135 fließenden Kraftstoff
eine andere Radialgeschwindigkeit verliehen wird, der Strahltrennungswinkel
des aus den Dosieröffnungen 142 austretenden
Kraftstoffstrahls als eine im Großen und Ganzen lineare Funktion
der Radialgeschwindigkeit geändert
werden kann – d.h.
der "Effekt des
linearen Trennungswinkels".
Die Radialgeschwindigkeit kann vorzugsweise geändert werden, indem die Konfiguration
der Sitzunterbaugruppe (einschließlich D1,
h1, D2 oder h2 des Kanals gesteuerter Geschwindigkeit 146)
geändert
wird, indem die Durchflussgeschwindigkeit des Kraftstoffeinspritzventils
geändert
wird, oder durch eine Kombination von beidem.
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Ferner
wurde auch herausgefunden, dass die Strahltrennung auch eingestellt
werden kann, indem ein Verhältnis
der Durchgangslänge
(oder Öffnungslänge) "t" einer jeweiligen Dosieröffnung zum Durchmesser "D" der jeweiligen Öffnung variiert wird. Insbesondere
steht der Strahltrennungswinkel θ in
einem linearen und inversen Zusammenhang zum Seitenlängenverhältnis t/D.
Der Strahltrennungswinkel θ und
die Kegelgröße des Kraftstoffstrahls
hängen
mit dem Seitenlängenverhältnis t/D
zusammen. Wenn sich das Seitenlängenverhältnis vergrößert oder
verkleinert, vergrößern oder
verkleinern sich der Trennungswinkel θ und die Kegelgröße entsprechend,
mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Wenn der Abstand D konstant
gehalten wird, gilt: Je größer die
Dicke "t" ist, desto kleiner
sind der Trennungswinkel θ und
die Kegelgröße. Umgekehrt,
wenn die Dicke "t" kleiner ist, sind
der Trennungswinkel θ und
die Kegelgröße größer. Folglich
ist anzunehmen, dass, wenn eine kleine Kegelgröße gewünscht wird, jedoch mit einem
großen
Strahltrennungswinkel, die Strahltrennung erreicht werden kann,
indem der Geschwindigkeitskanal 146 und der Raum 148 konfiguriert
werden, während
die Kegelgröße und in
geringerem Umfang der Trennungswinkel θ erreicht werden können, indem
das Verhältnis
t/D der Dosierscheibe 10 konfiguriert wird. Es wird nochmals
darauf hingewiesen, dass das Verhältnis t/D nicht nur den Strahltrennungswinkel
beeinflusst, sondern es beeinflusst auch die Größe des aus der Dosieröffnung austretenden Spritzkegels
in einer im Großen
und Ganzen linearen und inversen Weise zum Verhältnis t/D – d.h. es bewirkt den "Effekt der linearen
und inversen Trennung".
Obwohl die Durchgangslänge "t" (d.h. die Länge der Dosieröffnung entlang
der Längsachse
A-A) in 2B als im Wesentlichen mit der
Dicke der Dosierscheibe 10 übereinstimmend dargestellt
ist, ist anzumerken, dass die Dicke der Dosierscheibe von der Durchgangslänge t jeder
der Dosieröffnungen 142 verschieden
sein kann. Der Begriff "Kegelgröße" wird hier in dem
Sinne verwendet, dass er den Umfang oder den Flächeninhalt der Grundfläche eines Kraftstoff-Spritzbildes
bezeichnet, wobei ein kegelförmiges
Kraftstoff-Spritzbild als in einem vorgegebenen Abstand von der
Dosierscheibe des Kraftstoffeinspritzventils 100 gemessen
definiert wird.
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Die
Dosierscheibe 10 weist eine Vielzahl von Dosieröffnungen 142 auf,
wobei jede Dosieröffnung 142 einen
Mittelpunkt aufweist, der vor einer Verformung oder "Vertiefung" der Dosierscheibe 10 auf
einem imaginären "Bolzenkreis" 150 angeordnet
ist. Obwohl die Dosieröffnungen 142 vorzugsweise
kreisförmige Öffnungen
sind, können
auch andere Formen von Öffnungen,
wie zum Beispiel quadratische, rechteckige oder bogenförmige Öffnungen
oder Schlitze, verwendet werden. Die Dosieröffnungen 142 sind
in einem vorzugsweise kreisförmigen
Muster angeordnet, wobei diese Anordnung bei einer bevorzugten Ausführungsform
allgemein konzentrisch mit einem virtuellen Sitzöffnungs-Kreis 152 sein kann.
Der virtuelle Sitzöffnungs-Kreis 152 wird
durch eine virtuelle Projektion der Öffnung 135 auf die
Dosierscheibe 10 gebildet, derart, dass sich der virtuelle Sitzöffnungs-Kreis 152 innerhalb
des Bolzenkreises 150 befindet. Ferner bildet eine virtuelle
Projektion der Dichtfläche 134a auf
die Dosierscheibe 10 einen Scheitelpunkt "P" auf der Innenfläche 134e der Dosierscheibe 10,
das heißt,
innerhalb des virtuellen Sitzöffnungs-Kreises 152.
Und die bevorzugte Konfiguration des Sitzes 134, der Dosierscheibe 10,
der Dosieröffnungen 142 und
des dazwischen befindlichen Kanals 146 ermöglicht,
dass ein Fließweg
von Kraftstoff "F", der radial von
der Öffnung 135 des
Sitzes in einer beliebigen radialen Richtung von der Längsachse
weg zu der Dosierscheibe hin verläuft, zu einer Dosieröffnung führt.
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Zusätzlich zum
Ausrichten des Strahls mit Einstellung der radialen Geschwindigkeit
(d.h. dem "Effekt
der linearen Trennung")
und zur Bestimmung der Kegelgröße durch
den Kanal gesteuerter Geschwindigkeit bzw. das Verhältnis t/D
(d.h. dem "Effekt
der linearen und inversen Trennung") kann der Strahltrennungswinkel sogar
noch mehr vergrößert werden,
als der Trennungswinkel θ,
der als eine Funktion der radialen Geschwindigkeit durch den Kanal 146 hindurch
erzeugt wird, oder als der Trennungswinkel θ als Funktion des Verhältnisses
t/D. Die Vergrößerung des
Trennungswinkels θ kann
erreicht werden, indem die Fläche,
auf welcher sich die Dosieröffnungen 142 befinden, "vertieft" wird, so dass eine
allgemein ebene Fläche,
auf welcher die Dosierfläche
auf einer schräg
zur Bezugsachse B-B verlaufenden Ebene ausgerichtet sein kann, erhalten
wird. Der Begriff "Vertiefen" (Dimpling), so wie
er hier verwendet wird, bezeichnet, dass ein im Allgemeinen ebenes
Material verformt werden kann, indem die Fläche 134e stromabwärts in Richtung
der Längsachse
gepresst oder tiefgezogen wird, so dass eine nichtebene Fläche geformt
wird, welche entlang wenigstens einer Ebene ausgerichtet sein kann,
die schräg
zur Bezugsachse B-B verläuft.
Das bedeutet, eine Fläche,
auf welcher wenigstens eine Dosieröffnung 142 angeordnet
ist, kann entlang einer Ebene C1 ausgerichtet sein, und wenigstens
eine andere Dosieröffnung 142 kann
auf einer Fläche
angeordnet sein, die entlang einer Ebene C2 ausgerichtet ist, welche
schräg
zur Achse B-B verläuft.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Ebenen C1 und C2 im Großen und Ganzen symmetrisch
bezüglich der
Längsachse
A-A.
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Ferner
kann die Fläche 134f der
Dosierscheibe 10 auch in einer Richtung stromaufwärts entlang
der Längsachse
A-A "vertieft" sein, so dass ein Sackreduziervolumen 160 ausgebildet
ist, das um die Längsachse
herum angeordnet ist. Das Sackreduziervolumen 160 steht
zur Sitzöffnung 135 hin
vor, so dass eine Sackvolumenreduziervorrichtung ausgebildet wird.
Vorzugsweise hat das Sackreduziervolumen 160 die Form einer
gewölbten
Kuppel.
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In
Abhängigkeit
von der Konfiguration des Sitzes und der Dosieröffnungsscheibe kann ein Druckabfall
des zwischen dem Sitz und der Dosierscheibe fließenden Kraftstoffes größer oder
kleiner als gewünscht
sein. Bei manchen Konfigurationen des Kraftstoffeinspritzventils 100 kann
der Druckabfall, den der Kraftstofffluss erfährt, wenn der Kraftstofffluss
von der Sitzöffnung 135 zur
Dosierscheibe 10 hin durch den Kanal 146 hindurch
divergiert, größer als
gewünscht
sein, was bei manchen Konfigurationen zu einer Drosselung des durch
die Dosieröffnungen 142 fließenden Kraftstoffes
führen
kann. Bei einer solchen Konfiguration kann der Kanal 146 so gestaltet
werden, dass er einen geringeren Druckabfall des durch den Kanal 146 fließenden Kraftstoffes ermöglicht,
indem der Kanal 146 mittels einer Änderung des Kegelwinkels β modifiziert
wird, was zu einer geringeren Radialgeschwindigkeit des Kraftstoffflusses
F als gewünscht
führen
kann. Dies führt
zu einem kleineren Trennungswinkel θ als demjenigen, der für eine bestimmte
Konfiguration des Kraftstoffeinspritzventils 100 erforderlich
ist.
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Jedoch
kann in dem obigen Beispiel der Trennungswinkel θ vergrößert werden, so dass er der Anforderung
an den Trennungswinkel genügt,
indem die Dicke "t" der Öffnungsscheibe 10 verringert
wird, derart, dass, wenn der Durchmesser "D" der
Dosierscheibe konstant gehalten wird, das Verhältnis t/D abnimmt, so dass
der Trennungswinkel θ vergrößert wird.
Es existiert jedoch eine Grenze, wie weit die Dicke einer Dosierscheibe
verringert werden kann, ohne dass die Scheibe 10 für die Verwendung
in einem Kraftstoffeinspritzventil bei diesem Verfahren unbrauchbar
wird. Um einen Trennungswinkel zu erreichen, der größer als
der Trennungswinkel ist, der mittels Beeinflussung des Radialgeschwindigkeitskanals 146 oder
des Verhältnisses
t/D möglich
ist, kann die Fläche 134e der
Dosierscheibe 10 bis zu einem gewünschten Winkel "vertieft" werden, d.h. einem Vertiefungswinkel α, der bezüglich der
im Allgemeinen horizontalen Fläche
der Dosierscheibe oder der Bezugsebene B-B gemessen wird. Und ein
tatsächlicher
Trennungswinkel ϕ kann allgemein gleich der Summe des Vertiefungswinkels α und des
Winkels θ sein,
der durch Beeinflussung entweder des Kanals 146 oder des
Seitenlängenverhältnisses
t/D der Dosierscheibe 10 gebildet wird. Vorzugsweise beträgt der Vertiefungswinkel α ungefähr 10 Grad.
Der Begriff "ungefähr" wird hier in dem
Sinne verwendet, dass er den angegebenen Wert plus oder minus 25 Prozent
(± 25%)
beinhaltet.
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Das "Vertiefen" der Oberfläche 134e (d.h. der
Kraftstoffeinlassseite) der Dosierscheibe 10 ist jedoch
mit der Tendenz verbunden, dass ein Sackvolumen zwischen dem Verschlusselement 126a und
der Dosierscheibe 10 vergrößert wird. Um das Sackvolumen
zu verkleinern, kann die Fläche 134f (d.h.
die Kraftstoffauslassseite) in der Stromaufwärts-Richtung mit einem geeigneten Werkzeug "vertieft" werden, welches
vorzugsweise ein kuppelförmiges Sackreduziervolumen 160 ausbildet.
Das kuppelförmige
Sackreduziervolumen 160 steht zur Sitzöffnung 135 hin vor.
Das kuppelförmige
Sackreduziervolumen 160 ist vorzugsweise so geformt, dass
das Sackreduziervolumen 160 einen Umfang bildet, der an
den virtuellen Kreis 152 angrenzt.
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Die
Verformung der Fläche 134e und
der Fläche 134f kann
gleichzeitig durchgeführt
werden, oder eine Fläche
kann während
eines Zeitintervalls verformt werden, das sich mit dem Zeitintervall
der Verformung der anderen Fläche überschneidet.
Stattdessen kann die Fläche 134e auch
verformt werden, bevor die zweite Fläche 134f verformt
wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Fläche 134e verformt,
bevor die zweite Fläche 134f verformt
wird.
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Somit
wurde entdeckt, dass die Beeinflussung der Konizität des Fließkanals 146 und/oder
des Verhältnisses
t/D ermöglicht,
dass eine Dosieröffnung,
die sich parallel zur Längsachse
A-A erstreckt (d.h. eine gerade Öffnung),
eine schräge
Dosieröffnung
(d.h. eine Öffnung,
die sich schräg
zur Längsachse
A-A erstreckt) emuliert, welche für einen gewünschten Strahltrennungswinkel θ sorgt.
Ferner wurde auch entdeckt, dass durch Verformen der Fläche der
Dosierscheibe, auf welcher die gerade Dosieröffnung 142 ausgebildet
ist, weitere Vergrößerungen
des Trennungswinkels θ erreicht
werden können,
während
gleichzeitig andere Parameter betreffende Anforderungen erfüllt werden,
wie zum Beispiel ein erforderlicher Druckabfall, eine erforderliche Dicke
der Dosierscheibe 10 oder eine erforderliche Öffnungsgröße der Dosieröffnungen.
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Die
oben beschriebenen Verfahren können angewendet
werden, um die Strahlgeometrie (schmaleres Spritzbild mit größerem Spritzwinkel oder
breiteres Spritzbild, jedoch bei einem kleineren Spritzwinkel) eines
Kraftstoffeinspritzventils auf eine spezielle Motorkonstruktion
zuzuschneiden, bei gleichzeitiger Verwendung von nicht abgewinkelten Dosieröffnungen
(d.h. Öffnungen,
die eine Achse aufweisen, die im Großen und Ganzen parallel zur Längsachse
A-A ist), welche eingestellt werden können, indem die Fläche der
Dosierscheibe in zwei verschiedenen Richtungen "vertieft" wird, welche für einen gewünschten Trennungswinkel sorgen,
bei gleichzeitiger Reduzierung des Sackvolumens.
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Während des
Betriebs befindet sich das Kraftstoffeinspritzventil 100 zu
Beginn in der Nicht-Einspritzposition,
die in 1 dargestellt ist. In dieser Position existiert
ein Arbeitsspalt zwischen der ringförmigen Stirnseite 110b des
Kraftstoffeinlassrohres 110 und der gegenüberliegenden
ringförmigen
Stirnseite 124a des Ankers 124. Das Spulengehäuse 121 und
das Rohr 12 befinden sich in Kontakt und bilden eine Ständerkonstruktion,
welche mit der Spulenbaugruppe 18 verbunden ist. Die nicht
ferromagnetische Ummantelung 110a stellt sicher, dass,
wenn die elektromagnetische Spule 122 erregt wird, der
Magnetfluss einem Weg folgt, welcher den Anker 124 einschließt. Beginnend
am unteren axialen Ende des Gehäuses 34,
wo dieses mittels einer luftdichten Laserschweißnaht mit der Ventilkörperummantelung 132a verbunden
ist, erstreckt sich der Magnetkreis durch die Ventilkörperummantelung 132a,
den Ventilkörper 130 und
eine Öse
zum Anker 124, und vom Anker 124 über den
Arbeitsspalt hinweg zum Einlassrohr 110 und zurück zum Gehäuse 121.
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Wenn
die elektromagnetische Spule 122 erregt wird, kann die
auf den Anker 124 wirkende Federkraft überwunden werden, und der Anker
wird zum Einlassrohr 110 hin angezogen, wodurch der Arbeitsspalt
verkleinert wird. Dadurch wird das Verschlusselement 126 vom
Sitz 134 abgehoben, und das Kraftstoffeinspritzventil wird
geöffnet,
so dass unter Druck stehender Kraftstoff im Ventilkörper 132 durch
die Sitzöffnung
und durch die in der Dosierscheibe 10 ausgebildeten Öffnungen
fließt.
Hierbei ist anzumerken, dass das Betätigungselement so angebracht
sein kann, dass ein Teil des Betätigungselements
im Kraftstoffeinspritzventil angeordnet ist und ein Teil außerhalb
des Kraftstoffeinspritzventils angeordnet ist. Wenn die Spule nicht
mehr erregt wird, drückt
die Vorspannfeder 116 die Baugruppe Anker/Nadelventil auf
den Sitz 134, so dass sie ihn verschließt.